1、Pancake下一階段 VR 光學主要升級方向

VR 光學發展大致經過傳統透鏡—菲涅爾透鏡—折疊光路（Pancake）三個階段，體積重量不斷減小。目前菲涅爾透鏡是市場主流方案，Pancake 因為在輕薄化方面的重大突破，有望成為下一階段 VR 光學主要升級方向。

傳統透鏡在 VR 應用以非球面透鏡為主，體積/重量較大，應用逐漸減少。基于凸透鏡基本原理，如果想使其焦距變短，滿足近眼成像模組體積縮小的需求，主要有兩種路徑：1）增加透鏡厚度：通過增加透鏡中央與邊緣厚度差，增強透鏡對光線的折射能力；2）多組透鏡疊加：縮短整體透鏡模組焦距。但是，無論采用哪種方式，短焦距與輕薄化的設計訴求在傳統透鏡上必然存在嚴重沖突，這也限制了傳統透鏡在 VR 頭顯上的進一步應用深化。

▲非球面透鏡可有效解決球差問題，在早期 vr 頭顯應用較多

菲涅爾透鏡本質是扁平版凸透鏡，因體積較小且工藝成熟被目前市場上多數 VR 頭顯采用。光傳播的方向在介質中不會改變（除非是散射光），而是在介質的表面偏離。因此，透鏡中心的大部分材料只會增加系統內的重量和吸收量。基于此原理，菲涅爾透鏡在傳統透鏡的基礎上去掉直線傳播的部分，而保留發生折射的曲面，從而達到省下大量材料同時又達到相同的聚光效果。

Pancake 方案進一步壓縮了模組厚度，提升了用戶的舒適度和沉浸感。折疊光路 Pancake方案利用半透半反偏振膜的透鏡系統折疊光學路徑，光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出進入人眼。

2、Pancake原理與優缺點

Pancake 光學方案設計以偏振光原理為基礎，利用反射偏光片(Reflecting polarizer)對于不同偏振光選擇性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延時片(Quarter waveplate)調整偏振光形態，實現光線在半透半反鏡(Half-mirrorlens)和反射偏光片之間的來回反射，并最終從反射偏光片透射出去。

以下圖為例，圓偏振光在通過 1/4 相位延時片后變為線偏振光到達反射偏光片并被反射，接著第二次通過 1/4 相位延時片變回圓偏振光被半透半反鏡反射并第三次通過 1/4 相位延時片，再次變為線偏振光，因為本次相比第一次光線旋轉 90°，得以通過反射偏光片完成成像。

▲Pancake 方案工作原理

Pancake 方案為組合透鏡，通常可通過控制其中一片透鏡位置進行屈光度調節。對于近視用戶而言，過往佩戴 VR 頭顯進行屈光調節更多采用的是更換鏡片的方式，試戴過程麻煩且調檔選擇較為有限。而當光學方案升級到 Pancake 技術時，屈光度調節方式有了更多更便利的選擇。因為 Pancake 方案一般為多組透鏡的組合，可以通過移動其中一組鏡片調整整個光學模組的折射率，從而滿足調焦需求，這種方式對于傳統單片非球面透鏡和菲涅爾透鏡方案就無法實現。當然，VR 頭顯也可通過移動屏幕來調整屈光度，但是外調焦方式會改變整個模組總長，頭顯設計時需要預留體積空間，輕薄性較差。

▲內調屈光度原理

進一步，可變焦顯示不僅能滿足近視用戶需求，更是解決 VAC 問題的有效方案。目前 Pancake 與機械式可變焦技術已經逐漸走向成熟，Pancake+可變焦+眼球追蹤有望成為未來 VR 新頭顯的主流裝機趨勢。相較于人眼自然成像，VR 頭顯屏幕發出的光線沒有深度信息，光學模組焦距固定。

▲Meta 的 Half Dome 1, 2, and 3 原型機變焦顯示原型

當設備使用時候，人眼焦點調節與成像縱深感不匹配，由此產生視覺輻輳調節沖突（VAC 現象），使得用戶在佩戴VR 頭顯一段時間后會感到頭暈或疲勞。可變焦顯示技術（機械式）通過電機+齒輪傳統系統對透鏡位置進行移動，并與眼動追蹤技術相結合，基于眼部細微特征變化校訂模組焦距，模擬人眼自然成像，從而解決 VAC 眩暈問題。

▲Pancake 光學模組體積大幅減小

Pancake 模組生產技術難度主要集中在膜材料質量、貼膜工藝和組裝調整三方面。相比傳統非球面透鏡和菲涅爾透鏡，Pancake 模組功能優勢在于光路折疊，光學膜在成像中起到了至關重要的作用，因此膜材料的質量和貼膜工藝相對應構成了技術核心。同時，Pancake 方案光路設計復雜，組裝和對齊調整要求很高，細微差異便會導致光學模組整體的光路變化。

▲Pancake 模組加工流程及關鍵難點環節

膜材：高質量達標反射偏振片與 1/4 相位延時片以海外供應為主。反射偏振片和1/4 相位延遲片工作的準確性與穩定性對于 pancake 光學成像質量構成關鍵影響，膜材質量的標準和對應要求較高，目前供應商以海外廠商 3M、旭化成等為主。

貼膜工藝：曲面貼膜難度較大。光學貼膜的方式可以分為平面貼膜和曲面貼膜。平面貼膜技術難度較低，但會犧牲部分光學性能和成像質量。曲面貼膜可以帶來更大的 FOV 和更優質的成像質量，但是工藝難度較大，容易邊緣褶皺和翹起。

組裝調整：Pancake 光路精度高敏感，對位要求嚴苛。Pancake 折返方案包括兩片式和多片式，進行屏幕、透鏡等組裝時需要嚴格按照既定光路設計完成，否則細微角度差異就會對最終成像效果產生很大影響，高精度 AA 設備在 Pancake 組裝過程中起到關鍵的效率和良率提升作用。

Pancake 方案并非十全十美，目前仍然存在光效和鬼影等問題：

光效較低，通常僅約 10%。受光學原理限制，光線在 Pancake 模組中每次經過偏振/半反射環節，光效損失 50%。以兩片式 Pancake 簡易模組為例，光線從屏幕發出后至少經過一次圓偏振鏡，兩次半透半反鏡，光效折損已到 12.5%，考慮光線傳播中不可避免的其他損失，通常 Pancake 模組光效僅約 10%。因此，Pancake 光學方案通常對屏幕亮度要求更高，光學與顯示方案需配套迭代。

鬼影問題遠比常規透鏡方案嚴重。在光學成像系統中，由雜散光（透鏡界面多次反射、透鏡缺陷散射、物理結構散射等因素造成）在畫面中的某個位置形成的“像”被稱為“鬼像”(ghost)。鬼影現象會直接導致圖像質量的降低，主要是對比度以及 MTF 等。Pancake 方案因為光線多次折返，鬼影問題相比常規非球面/菲涅爾方案更為嚴重，一般通過改善透鏡材料、形狀等方式優化。

▲Pancake 方案鬼影問題較為嚴重

根據 Wellsenn XR 預測，2023 年全球 VR 光學市場規模將達到 22 億元，2030 年有望達到500 億元。VR 光學模組是 VR 頭顯的核心元件，其市場規模取決于 VR 設備的出貨量和光學模組價格。目前 Pancake 光學膜組的成本高、良率低、產量低，單個 Pancake 模組價格約為 150-200 元。隨著未來方案的成熟和產量的提升，Pancake 光學模組的成本有望逐漸下降，VR 終端價格下沉進一步激發消費者購買欲，加速 VR 普及。

目前 HTC Flow 系列、Pico VR Glasses、3Glasses X 系列、創維 S6 及 Pancake 1、arpara、Huawei、Shiftall 等頭顯設備均已采用 Pancake 方案，Pico 4、Meta Cambria、蘋果 MR 等新品亦蓄勢待發。Pancake 光學方案能極大地提升用戶的沉浸感和舒適感，未來 Pancake方案有望為更多 VR 廠商采用，預計市場規模將持續擴大。

3、Pancake 與菲涅爾透鏡方案實例比較

3Glasses X1 VS 3Glasses D3：2019 年 4 月，3Glasses 發布了采用 Pancake 光學方案的 VR 頭顯 3Glasses X1。在整機設計上，3Glasses X1 VR 裸機重量小于 150g，機身尺寸為 165*62*24mm。相較于 3Glasses在 2017 年發布的采用菲涅爾透鏡的 VR 頭顯 3Glasses D3，3Glasses X1 的厚度縮減了56mm，重量減輕了一半，整體上更加輕薄。

在顯示配置上，X1 單眼分辨率為 1200*1200，視場角為 105 度，支持 0~600°的屈光度調節。由此可見，3Glasses X1 擁有比 D3 更大的視場角，且支持屈光度調節，但在采用同款 Fast-LCD 顯示屏的情況下，其分辨率略低于3Glasses D3。

▲3Glasses X1

▲3Glasses D3

▲3Glasses X1 VS 3Glasses D3

創維 S6 VS 創維 V901 VS 創維 PANCAKE1：2020 年創維發布了采用 Pancake 光學方案的 VR 分體式眼鏡創維 S6。在整機方面，創維將S6 整機眼鏡重量降至 130g，機身厚度僅 58mm。在顯示方面，S6 單眼分辨率為 1600*1600，視場角為 94°,支持 0~800°的屈光度調節。

相較于 2019 年 4 月創維發布的采用菲涅爾透鏡的VR頭顯創維V901,創維S6顯著縮小了機身尺寸及降低了重量，但在采用同款Fast-LCD屏幕的情況下，其單眼分辨率及視場角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日，創維發布了超短焦 Pancake 光學方案新品 VR 一體機 PANCAKE 1，PANCAKE 1 鏡片體積僅為傳統菲涅爾鏡片的 1/4，厚度減少 50%以上，相較于前兩款產品有著更高的分辨率。

▲創維 S6

▲創維 V901

▲創維 S6 VS 創維 V901 VS 創維 PANCAKE1

Pico VR Glasses VS Pico Neo3：2020 年 1 月 Pico 發布了采用 Pancake 光學方案的 Pico VR Glasses，使用雙 2.1 英寸TFT-LCD 顯示屏，單眼分辨率達 1600*1600。此款產品搭配 3DoF 控制器，其視場角為 90度，并支持 0-800 度屈光度調節。

作為短焦產品，其機身尺寸為 160*79*26mm，重量僅為119 克。相較于 2021 年 4 月 Pico 發布的采用菲涅爾透鏡的VR 頭顯 Pico Neo3，Pico VRGlasses 支持屈光度調節，且機身尺寸更小、重量更輕，但其分辨率及視場角略低于 PicoNeo3。

▲Pico VR Glass

▲Pico Neo3

▲Pico VR Glass VS Pico Neo3

下列VR設備光學方案對比情況顯示，采取Pancake光學方案的VR設備普遍具有機身輕薄、支持屈光度調節的優點，但是目前由于技術原因，視場角表現較弱，方案潛力尚未被完全發掘。

▲VR 設備光學方案對比

從上述案例對比來看，相較于菲涅爾透鏡，Pancake 光學方案在縮小機身尺寸、降低 VR 設備重量以及屈光度調節方面有著較大優勢，但在顯示方面仍然與工藝成熟的菲涅爾透鏡有一定差距，受光損高、透鏡直徑被壓縮等因素影響，目前分辨率和視場角表現還未達到理想水平。預計短期內，菲涅爾透鏡仍會被部分 VR 廠商采用，但 Pancake 光學方案的優勢愈發凸顯，越來越多的 VR 廠商將其應用于新品中，Pancake 方案有望在中長期內實現大規模商用。

02.Pancake落地加速，帶來產業鏈新機遇

VR 光學重要創新，Pancake 推動 VR 行業發展進入新階段。VR 頭顯硬件創新主要體現在光學方案、交互方式、整體設計三方面，Pancake 是光學方案中的重大升級。預計隨著 Pancake 方案的逐步推廣應用，VR 頭顯在重量體積和佩戴舒適性上將迎來較大幅度提升，同時 Pancake 模組體積的減少為頭顯整體設計提供了更多的空間預留，協同推進行業發展進入新的階段。

▲Pancake 為 VR 行業硬件迭代重要一步

光學膜卡位 Pancake 方案價值高地，產業鏈核心供應商新增從 0 到 1 彈性機會。

Pancake 方案在 VR 領域的應用帶來增量光學膜市場機會，根據測算，假設2026 年全球 VR 頭顯出貨量 3473 萬臺，Pancake 滲透率 80%，單目光學膜成本100 元，對應市場規模約為 56 億元。考慮到目前 Pancake 光學膜達標供應商較少，對于單家企業來說從 0 到 1 彈性增長機會較大。此外，隨著面板產業轉移，我國偏光片市場需求不斷增加，但是供給端高度依賴進口，國產化率提升同樣是本土偏光片企業的發展良機。

▲Pancake 光學膜市場空間測算(億元)

Pancake 方案對屏幕亮度要求較高，Mini led/Micro oled 光源配套升級，滲透率 有望加速提升。VR 顯示方案主要在像素密度、響應速度、亮度、功耗、對比度、成本等性能方面不斷優化。Mini led/Micro oled 相比傳統 Fast-Lcd 方案整體性能表現更優，在 Pancake 方案的配套升級需求下，滲透率有望加速提升。

短期內 Mini led 方案依據成本優勢落地更快，中長期隨著技術的持續創新發展和終端規模上量，Micro oled 具備成本競爭力的時候，有望憑借高分辨率、高刷新率等全方位優勢快速大面積鋪廣。

Pancake方案，可以極大改善目前VR頭顯的“短板”。展望未來，Oculus、Pico、奇遇等頭部廠商的下一代新品、以及蘋果MR都或將搭載Pancake光學模組，產業趨勢已高度確定。